CN106716879A - 光学上变频和下变频型光学相位共轭对信号收发电路 - Google Patents

光学上变频和下变频型光学相位共轭对信号收发电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够简单地对由于复杂电路中的非线性效应而造成的波形失真进行补偿的方法、和用于实现该方法的装置。通过该方法和利用该方法的装置，能够利用光学上变频时或下变频时的光学相位共轭信号对，有效地对由于光传输路径即光纤中的非线性效应而造成的波形失真等信号劣化进行补偿。该发射装置(25)包含光调制器(11)、信号源(13)、光纤(15)、合波部(17)、合波用本地信号源(19)、光检测器(21)和发射天线(23)。

Description

光学上变频和下变频型光学相位共轭对信号收发电路
技术领域
本发明涉及一种能够有效地补偿光信号和光载无线电(Radio over Fiber：光载射频)信号在光纤内传输时所受到的非线性效应的方法和装置。
背景技术
在光载无线电系统中，提高向光纤的输入强度关系到RF链路增益的增加、和传输距离的扩展等，因此，提高向光纤的输入强度为重要的技术课题。然而，当增强向光纤的输入光强度时，受到光纤中的非线性效应的影响，无法进行信号的线性传输。因此，当前的光载无线电系统中，输入光强度被限制在数mW。
另一方面，光载传输、光载无线电传输等中，光学相移键控(光PSK)、光正交振幅调制(光QAM)等相干光传输方式、光正交频分复用(光OFDM)等复杂的光多路复用方式引人注目。在传输这些光信号的情况下，无法忽视传输路径中的光非线性效应的影响，渴望存在一种对该影响进行补偿的方法。
日本发明专利公开公报特开2010-28470号中，公开了一种具有用于对非线性波形失真进行补偿的电运算电路的光信号接收装置、和根据光学相位共轭对信号进行非线性失真补偿。但是，在通过电路来补偿由于光传输路径(optical transfer path：光学传输路径)中的非线性效应而造成的波形失真的情况下，存在以下问题：装置变得复杂；为了生成发射机侧的光学相位共轭对信号，需要使用实施了基于数字信号处理等的预处理的电信号并使用多个光调制器；在接收机侧需要基于数字信号处理等的电信号处理。
现有技术文献
专利文献：
专利文献1：日本发明专利公开公报特开2010-28470号
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够简单地补偿由于复杂的电路的非线性效应而造成的波形失真的方法、和用于实现该方法的装置。
更详细地进行说明，本发明的目的在于，提供一种利用光学上变频时或下变频时的光学相位共轭信号对(optical phase conjugate signal pair)，有效地补偿光传输路径即光纤的非线性效应而造成的波形失真等信号劣化的方法、和能够实现该方法的装置。
基本上，本发明在光学调制时产生双边带，且将该双边带作为光学相位共轭信号对来进行使用，在此基础上通过有效地使光学相位共轭信号对或源自光学相位共轭信号对的成分相干涉来抵消非线性效应。据此，本发明不使用复杂的电路就能容易地对光纤所导致的非线性效应进行补偿。
本发明的第1方面涉及后述的零差(homodyne：零差检波)相位共轭无线电射频(C-RoF)系统、和使用该系统对光信号在光纤中传输时产生的非线性光学效应进行补偿的方法。
该方法使用半导体激光等的直接调制、基于外部调制等的光强度调制、振幅调制、相位调制等，简单地生成上边带波和下边带波，该对信号处于彼此为相位共轭的关系，将该上边带波和下边带波作为相位共轭信号对来利用。将该上边带波和下边带波同时输入光纤。在光接收机或者远程站，将具有与光载波相同的频率的连续光作为载波信号来进行合波。此时，在上边带波和下边带波不具有相位差(没有相位差)的状态下，上边带波和下边带波进行合波。光检测器检测经合波得到的光信号。将基于光检测器检测到的光信号的电信号向发射天线传送。发射天线发射基于电信号的无线电信号(射频信号)。并且，接收机侧接收无线电信号。另外，在光接收机中，将具有与光载波相同的频率的连续光合波作为载波信号的情况下，合波后的状态的光信号在光纤中传播。
零差C-RoF系统具有无线电信号发射装置25，该无线电信号发射装置25对光信号在光纤中传播时产生的非线性光学效应进行补偿。另外，零差C-RoF系统作为利用相位共轭信号对型光信号输出系统来发挥作用，该利用相位共轭信号对型光信号输出系统能够有效地对在光检测器之前的部分产生的、由光纤引起的非线性效应进行补偿。该发射装置25包括光调制器11、信号源13、光纤15、合波部17、合波用本地信号源19、光检测器21和发射天线23。
光调制器11是被输入载波的构件。并且，光调制器11输出包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对。信号源13是输出用于施加给光调制器11的调制信号和偏压信号的构件。光纤15被同时输入作为从光调制器11输出的光信号的、包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对，是用于传输光信号的构件。合波部17与光纤15连接，是用于对包含相位共轭信号对的光信号和来自外部的光信号(以下还称为本地连续光、本振光(本地振荡光))进行合波的构件。合波部17可以设置于光发射机内、光接收机内、或者光纤传输路径的任意位置，本振光也可以在该任意位置与包含相位共轭信号对的光信号进行合波。合波用本地信号源19是用于通过合波部17，在上边带波和下边带波不具有相位差的状态下，将具有与光载波相同的频率的光信号与上边带波和下边带波进行合波的构件。光检测器是用于检测经合波得到的光信号的构件。发射天线23是用于接收基于光检测器到的检测的光信号的电信号的构件。发射天线23根据电信号来发射无线电信号，并将无线电信号向接收机侧传送。
本发明的第2方面涉及后述的外差(heterodyne)C-RoF系统、和使用该系统对光信号在光纤中传输时产生的非线性光学效应进行补偿的方法。
在本方法中，使用半导体激光等的直接调制、基于外部调制等的光强度调制、振幅调制、相位调制等，获得包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对。接着，将上边带波和下边带波同时输入光纤。将光信号与上边带波和下边带波进行合波。光检测器检测经合波得到的光信号。将基于光检测器检测到的光信号的电信号向发射天线传送。发射天线发射基于电信号的无线电信号。接收天线接收从发射天线发射的无线电信号。接收基于接收天线接收到的无线电信号的电信号，对接收到的源自上边带波的信号和源自下边带波的信号进行调整，以使得二者不具有相位差，在此基础上将二者进行合波。
外差C-RoF系统包括发射装置和接收装置。无线电信号发射装置45包含光调制器31、信号源33、光纤35、与光纤35连接的合波部37、合波用本地信号源39、光检测器41和发射天线43。无线电信号接收装置55包含接收天线51和信号处理装置53。
光调制器31是被输入载波的构件。信号源33是输出用于施加给光调制器31的调制信号和偏压信号的构件。光纤35是被同时输入作为从光调制器31输出的光信号的、包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对的构件。合波部37与光纤35连接，是用于对光进行合波的构件。能够通过合波用本地信号源39和合波部37，将光信号(本振光)与上边带波和下边带波进行合波。光检测器41是用于检测经合波得到的光信号的构件。发射天线43是用于接收基于光检测器检测到的光信号的电信号，并作为无线电信号来发射的构件。
接收天线51是用于接收从发射天线43发射的无线电信号的构件。信号处理装置53是用于接收基于接收天线接收到的无线电信号的电信号，对接收到的源自上边带波的信号和源自下边带波的信号进行调整，以使得二者不具有相位差，在此基础上将二者进行合波的构件。在外差C-ROF系统中，由合波部37合波的本振光的波长和频率为与光载波不同的波长和频率。
根据本发明，能够提供一种能够容易地补偿由光纤引起的非线性效应的方法和系统。
附图说明
图1是表示零差C-RoF系统的结构例的框图。
图2是表示外差C-RoF系统的结构例的框图。
图3表示相位共轭信号对不具有相位差的状态的生成信号例(QPSK调制的情况)。
图4表示上边带波和下边带波间的相位差没有被优化的情况下、即相位差不为零的情况下的生成信号例(QPSK调制的情况)。
图5是表示用于使用独立光源来产生本振光的结构例的框图。
图6是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。
图7是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。
图8是表示用于使用独立光源来产生本振光的外差C-RoF的结构例的框图。
图9是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。
图10是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。
图11表示使用外差C-RoF的无线接收器的结构例。
图12是表示Δf＞fm的情况下的无线接收器的结构例的图。
图13是表示光学相位共轭对光载无线电(C-RoF)系统的原理的图。
图14是表示各成分与非线性失真等非线性效应的关系的概念图。
图15是表示零差C-RoF系统的概念图。
图16是表示外差C-RoF系统的概念图。
图17是实施例的数值分析中的系统的概略图。
图18是接收信号的星座图。
图19是用于偏压偏移(bias shift)型电光效应型相位共轭信号对生成器的原理验证的实验结构图。
图20是表示实施例2中的实验结果的图。
具体实施方式
使用光学相位共轭信号对的非线性效应补偿原理
使用光学相位共轭信号对的非线性效应补偿原理例如以下所述。
将原始传输信号和取得相位共轭的信号作为一对，使二者在光纤中传输。于是，在光纤中，原信号光和相位共轭光均经历同等的非线性相位偏移。然而，当以原信号为基准时，相位共轭信号发生符号相反的相位偏移。利用该原信号光和相位共轭光受到符号相反的同样的非线性效应(的原理)来进行抵消，据此能够抵消非线性失真等非线性效应。
在本发明一例中，在光调制器中进行光学调制时生成光学相位共轭信号对。将该系统称为电光效应型相位共轭信号对生成器。当使用该电光效应型相位共轭信号对生成器时，能够只使用原数据组来生成相位共轭信号对，而无需为了用于相位共轭而对电信号进行转换，从而能够使发射机侧的结构更简单。
本发明的第1方式涉及后述的零差相位共轭无线电射频(C-RoF)系统、和对使用该系统来在光纤中传播光信号时产生的非线性光学效应进行补偿的方法。
图1是表示零差C-RoF系统的结构例的框图。零差C-RoF系统具有无线电信号发射装置，该无线电信号发射装置对光信号在光纤中传输时所产生的非线性光学效应进行补偿。另外，作为相位共轭信号对利用型的光信号输出系统来发挥作用，该相位共轭信号对利用型的光信号输出系统有效地对在光检测器之前的部分由光纤引起的非线性效应进行补偿。如图1所示，该发射装置25包含光调制器11、信号源13、光纤15、与光纤15连接的合波部17、合波用本地信号源19、光检测器21和发射天线23。
光调制器11是被输入载波的构件。并且，光调制器11输出包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对。光调制器11能够适当地使用强度调制器、相位调制器、频率调制器、SSB调制器、FSK调制器、QPSK调制器、ASK调制器等公知的调制器。其中，可优选使用具有马赫-曾德尔干涉仪的调制器。
例如，日本发明专利授权公报特许第5263205号中记载有以下内容:具有马赫-曾德尔干涉仪的光调制器能够输出调制信号并且输出相位共轭光；由相位共轭光取得上边频成分和下边频成分(原本该文献是公开对延迟差进行控制的文献)。可以与该文献同样，从光调制器所包含的相位共轭光取得上边频成分和下边频成分，作为相位共轭信号对。
设光载波的频率为f0[Hz]，调制信号的频率为fm[Hz]。于是，在光输出中，除了载波(f0)之外，还存在频率由f0±nfm[Hz](n为整数)表示的多个成分。这些成分存在于载波f0的侧面，因此被称为边带波。其中，将存在于f0+fm[Hz]的成分称为1次边带波，由于其为存在于频率高于载波(f0)的位置的边带波，因此还称为上边带波(USB)。将存在于f0-fm[Hz]的成分称为-1次边带波，由于其为存在于频率低于载波(f0)的位置的边带波，因此还称为下边带波(LSB)。另外，还存在将1次边带波和-1次边带波一并表述为1次边带波的情况，本说明书中，将f0+fm[Hz]的成分和f0-fm[Hz]的成分一并称为1次边带波。并且，也可以将存在于f0+nfm[Hz]的成分(n为1以上的整数)和存在于f0-nfm[Hz]的成分的对作为相位共轭信号对。
信号源13是用于输出被施加给光调制器11的调制信号和偏压信号的构件。光调制器11使用调制信号和偏压信号等电信号(电压)来驱动。信号源13是获得该电信号，用于控制光调制器的装置。光调制器的输出能够使用贝塞尔函数展开。即，一般而言，能够通过调整施加给光调制器的偏置电压，来改变奇数次成分(1次边带波、3次边带波、5次边带波…)增强的条件、和载波与偶数次成分(2次边带波、4次边带波、6次边带波…)增强的条件。即，假想在对光调制器不施加调制信号，而只施加偏压信号的情况下，能够通过控制光强度增强的状态或光强度变弱的状态，来调整被输出的光信号的奇偶性。另外，还能够通过调整调制信号的强度，来调整各次数成分的强度。另一方面，在存在不需要的光的情况下，可以使用公知的滤光器除去不需要的成分。
光纤15被同时输入作为从光调制器11输出的光信号的、包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对，是用于传输光信号的构件。光纤的例子为单模光纤，但也可以使用多模光纤。
合波部17与光纤15连接，是用于将相位共轭信号对和来自外部的光信号(下面还称为本地连续光或“本振光”)进行合波的构件。合波部17也可以设置于光发射机内、光接收机内、或者光纤传输路径中的任意位置。合波部的例子为光耦合器，但也可以由光导路来构筑合波部。
合波用本地信号源19是用于在上边带波和下边带波不具有相位差的状态下，将具有与光载波相同频率的光信号通过合波部17与上边带波和下边带波进行合波的构件。优选在上边带波与本振光的相位差同下边带波与本振光的相位差相同的状态下，对相位共轭信号对和本振光进行合波。另外，也可以在上边带波和下边带波不具有相位差，并且二者与该光信号也不具有相位差的情况下进行合波。优选该合波用本地信号源19获得与光载波同步、且具有与光载波相同频率的光信号(本振光)。并且，合波用本地信号源19在适当地调整了该本振光的频率f、相位和相位角θ后的状态下将该本振光向合波部引导。该相位角θ可以使用作为合波用本地信号源19的构件的移相器等来进行调整。合波部可以既存于发射器侧(光纤之前)，也可以存在于光纤的中部(例如中转位置)，也可以存在于接收器侧(光纤之后)。该合波用本地信号源19获得具有与光载波相同频率的光信号(本振光)。该光信号可以是由之前的载波分波得到的光信号，也可以是另行准备的光信号。并且，合波用本地信号源19例如从输出载波的光源接收时钟信号，根据该时钟信号对上边带波和下边带波的相位进行分析，在此基础之上进行控制，以在本振光同上边带波和下边带波之间不具有相位差的时间，由合波部对本振光、上边带波和下边带波进行合波。为了使本振光同上边带波和下边带波之间不具有相位差，可以调整本振光的相位角θ以使得该相位角θ成为上边带波的相位角和下边带波的相位角的平均。在任一位置存在检测上边带波和下边带波的检测部的情况下，也可以获取来自该检测部的信息，由合波用本地信号源19进行控制，以在本振光同上边带波和下边带波之间不具有相位差的时间，由合波部对本振光、上边带波和下边带波进行合波。
光检测器是用于检测经合波得到的光信号的构件。光检测器是公知的，能够适当地使用光电二极管等。
发射天线23是用于接收基于光检测器检测到的光信号的电信号的构件。发射天线23根据电信号来发射无线电信号，并向接收器侧传送该无线电信号。
使用零差C-RoF系统来对光信号在光纤中传输时所产生的非线性光学效应进行补偿的方法包含以下工序。
将光载波输入光调制器。并且，信号源13输出被施加给光调制器11的调制信号和偏压信号。光调制器通过调制信号和偏压信号来驱动，输出包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对。该光信号中，除了相位共轭信号对之外，还可以包含有载波。另外，在存在不需要的光成分的情况下，也可以适当地由光滤光器除去该成分。获得包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对的方法例如如日本发明专利授权公报第5263205号所公开的那样，是公知的。
接着，将包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对同时输入光纤。之后，这些光信号在光纤中传播。产生具有与光载波相同频率的光信号即本振光。并且，在合波部，在上边带波和下边带波不具有相位差的状态下，将本振光与上边带波和下边带波进行合波。于是，由于光纤的非线性而造成的失真被抵消。在此基础上，光检测器检测经合波得到的光信号。
另外，也可以在由合波部将本振光和相位共轭信号对进行合波之后将其输入光纤。另外，也可以在光纤的中部设置合波部。
当向光检测器同时输入具有不同频率的光信号时，输出相当于该光信号的频率差的电信号(差频成分)(另外，此时，还输出相当于频率的和的成分(和频成分))。因此，当使2个边带(f0±nfm)重叠于光载波(f0)，并向光检测器输入时，从受光器(光检测器)产生相当于光载波(f0)与边带波的频率差的电信号(nfm)。此时，若光载波被抑制，则产生相当于2个边带波的频率差的电信号(2nfm)。若被输入光检测器的光载波的强度比边带波的强度强，则主要输出相当于光载波(f0)与边带波的频率差的电信号(nfm)，能够忽视相当于2个边带波的频率差的电信号(2nfm)。另外，若不需要相当于2个边带波的频率差的电信号(2nfm)，则也可以电去除该成分。
将基于光检测器检测到的光信号的电信号向发射天线传送。发射天线发射基于电信号的无线电信号。并且，接收器侧接收无线电信号。
本发明的第2方式涉及后述的外差C-RoF系统、和使用该系统对光信号在光纤中传输时产生的非线性光学效应进行补偿的方法。
图2是表示外差C-RoF系统的结构例的框图。如图2所示，外差C-RoF系统包括发射装置和接收装置。无线电信号发射装置45包括光调制器31、信号源33、光纤35、与光纤35连接的合波部37、合波用本地信号源39、光检测器41和发射天线43。无线电信号接收装置55包括接收天线51和信号处理装置53。
光调制器31是被输入载波的构件。信号源33是用于输出被施加给光调制器31的调制信号和偏压信号的构件。光纤35是被同时输入作为从光调制器31输出的光信号的、包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对的构件。合波部37与光纤35连接，是用于对光进行合波(或者分波)的构件。合波用本地信号源39是用于通过合波部37，将光信号与上边带波和下边带波进行合波的构件。光检测器41是用于检测经合波得到的光信号的构件。发射天线43是用于接收基于光检测器检测到的光信号的电信号，且作为无线电信号来发射的构件。
接收天线51是用于接收从发射天线43发射的无线电信号的构件。信号处理装置53接收基于接收天线接收到的无线电信号的电信号，是用于调整所接收到的源自上边带波的信号和源自下边带波的信号，使二者不具有相位差，在此基础上将二者进行合波的构件。
该方法获得包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对。接着，将上边带波和下边带波同时输入光纤。将光信号(本振光)同包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对进行合波。光检测器检测经合波得到的光信号。将基于光检测器检测到的光信号的电信号向发射天线传送。发射天线发射基于电信号的无线电信号。接收天线接收从发射天线发射的无线电信号。接收基于接收天线接收到的无线电信号的电信号，调整接收到的源自上边带波的信号和源自下边带波的信号，以使二者不具有相位差，在此基础上将二者进行合波。
另外，也可以由合波部将本振光和相位共轭信号对进行合波之后输入光纤。另外，也可以在光纤的中部设置合波部。
通过上述方法，为了实现非线性补偿，优选将构成相位共轭信号对的上边带波和下边带波在二者没有相位差的情况下进行相加。优选在上边带波与本振光的相位差和下边带波与本振光的相位差相同的状态下，将相位共轭信号对和本振光进行合波。图3表示相位共轭信号对不具有相位差的状态的生成信号例(QPSK调制的情况)。左图表示USB的星座图，右图表示LSB的星座图。零差C-RoF的情况下，能够通过适当地控制由合波器17进行合波的、本振光的光学相位，来获得该条件。图4表示上边带波和下边带波间的相位差没有被优化的情况下、即相位差不为零的情况下的、生成信号例(QPSK调制的情况下)。左图表示USB的星座图，右图表示LSB的星座图。在该情况下，光纤中的非线性失真没有被完全抵消，残留有失真成分。另外，上边带波和下边带波的信号间的相位差根据光发射机侧的调制方法的不同而不同。在信号通过相位调制而生成的情况下，该相位差为90度，在振幅调制的情况下为0度。另外，在通过激光的直接调制等获得上边带波和下边带波成分的情况下，由于调制时的啁啾效应，振幅调制、相位调制混合，上边带波和下边带波的信号间的相位差取0度和90度之间的值。另外，由于在光纤中发生的波长色散而导致上边带波和下边带波被赋予不同的相位偏移。
在这种情况下，为了抵消非线性效应，用如下这样的本振光进行合波即可：该本振光具有上边带波(设其相位角为θU)和下边带波(设其相位角为θL)的相位角的平均值θ、即(θU+θL)/2的相位角。在该情况下，本振光与上边带波的相位角的差、和本振光与下边带波的相位角的差相同。在该条件下，上边带波和下边带波所受到的非线性失真长度相等且是方向相反的失真，从而在相加时被抵消。另外，该原理还能够适用于基于后述的光调制器的偏压偏移的方法、和现有技术的相位共轭对生成的方法的情况。在现有方式的情况下，相位共轭对间的光学相位差的值为任意的值。在该情况下，也能够通过使具有θ的相位角的本振光与相位共轭对进行合波来补偿非线性失真。具有上述那样的合适相位角的本振光能够通过使用独立光源的方法、和对光载波进行再利用的方法来产生。
图5是表示用于使用独立光源来产生本振光的结构例的框图。在使用独立光源的方法中，例如，使用光学锁相环等，本振光可以使用独立于发射机侧光源的光源作为本振光源。该合波用本地信号源19包括：光源61，其产生具有与载波相同频率的光；调整部63，其调整从光源输出的光的频率、强度和相位；相位调整部65，其为移相器等，用于调整由调整部63调整后的光的相位；和检测部57，其检测在合波部中传播的光的相位，获得用于对调整部53和相位调整部63调整的相位等的量进行调整的信息。通过光学锁相环(光学PLL)控制本振光，以使得本振光具有与从光发射机侧发射的光载波的光频f、光学相位相同的光频和光学相位。针对该光频同步、光学相位同步的本振光，通过使用光学移相器对本振光赋予上述的最优相位角θopt，来保持非线性效应被抵消的条件。该光学锁相环可以存在于光纤的光调制器侧，也可以存在于光纤中部，也可以存在于光纤的后段，也可以存在于光纤的后部。
图6是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。在该例中，对光载波进行分支。并且，将分支出的一方的光作为光载波向光调制器施加。另一方面，将分支出的剩余的光输入移相器等相位调整部55进行相位调整，以使得在合波部达成上述状况。在该情况下，相位共轭信号对和本振光可以均在光纤中传播，也可以在相位共轭信号对在光纤中传播之后与本振光进行合波。
图7是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。在该例中，由光调制器获得相位共轭信号对之后，通过波长分离装置61进行波长分离。并且，将具有相当于光载波的频率的成分输入移相器等相位调整部55进行相位调制，以使得能够在合波部达成上述状况。
在对光载波进行再利用的方法中，将光发射机侧的光载波作为本振光来再利用。对光学调制前的连续光进行分支，或者也可以使用光滤波器等，从用于生成上边带波和下边带波的、光学调制后的调制光分离出光载波。
将由这些方法得到的本振光在合波器17与相位共轭信号对进行合波。合波的位置也可以在光发射机侧、接收机侧、光纤传输路径中的任意位置。光学移相器能够使用光学相位调制器、光SSB(单边带)调制器、和光纤拉伸器等。
在外差C-RoF系统的情况下，优选为以下这样对由光合波器37合波的本振光fl赋予频率：给予光发射机侧的光载波、光频差Δf[Hz],且给予fl＝f0+Δf或fll＝f0-Δf。设Δf为非零值。f0为光载波的光频。
若为了确保数据传输等而设频带为B[Hz]，则Δf的值优选为Δf＞2B。另外，相对于光载波频率f0、用于生成上边带波和下边带波的光学调制频率fm，优选Δf＜fm，若满足该条件，则作为无线电信号而发射的、源自上边带波的信号和源自下边带波的信号的任意一方在光检测器内的下变频过程中，再次取相位共轭，而再次转换成原调制信号，因此，易于进行非线性效应补偿。Δf＞fm的情况下，也能够进行非线性补偿，优选用无线接收机内对源自上边带波的信号和源自下边带波的信号的任意一方进行相位共轭操作。
在外差C-RoF的情况下，也能够通过之前所说明的、使用独立光源的方法、和对光载波进行再利用的方法来产生本振光。图8是表示用于使用独立光源产生本振光的外差C-RoF的结构例的框图。利用了该外差C-RoF的无线机将频率与载波不同的本振光与相位共轭信号对进行合波。
外差C-RoF中，在使用独立光源的情况下，若能够赋予上述光频差Δf[Hz]，则不需要使用光学锁相环等来使光频、相位与光载波的光频、相位同步。当然，也可以使用光学锁相环等，来使光频、相位与光载波的光频、相位同步。
外差C-RoF中，在对载波进行再利用的情况下，将光发射机侧的光载波作为本振光来再利用。图9是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。并且，通过移频器等频率调整部75，对具有相当于光载波的频率的成分进行改变其频率的处理，并且将经处理的该成分输入移相器等相位调整部65进行相位调整，以使得能够在合波部达成上述状况。即，在该例子中，对光学调制前的连续光进行分支，或者使用光滤波器等，从用于生成上边带波和下边带波的光学调制后的调制光分离出光载波。对该被分离出的光载波，使用光移频器赋予其光频差Δf[Hz]。并且，适当地通过移相器等来调整本振光的相位，以使得能够达成上述状况。
图10是表示用于对光载波进行再利用来产生本振光的结构例的框图。在该例子中，由光调制器获得相位共轭信号对之后，通过波长分离装置61进行波长分离。并且，通过移频器等频率调整部75，对具有相当于光载波的频率的成分进行改变其频率的处理，通过移相器等相位调整部55进行相位调整，以使得能够在合波部达成上述状况。
通过这些方法得到的本振光由合波器17进行合波。合波的位置可以在光发射机侧、接收机侧、光纤传输路径中的任意位置。光移频器能够应用声光学效应调制器、光SSB调制器等。
图11表示使用外差C-RoF的无线接收器的结构例。图11是尤其用于说明无线电信号的处理的图。在此，在Δf＜fm的情况下，分别将源自上边带波和源自下边带波的成分分离并进行检测，以最优相位角θopt将源自上边带波和源自下边带波的成分相加即可。预先获得与最优相位角θopt相关的信息，进行对分离后的源自上边带波和源自下边带波的成分的一方加上与最优相位角θopt相关的相位角部分的运算(或者，使一方的成分成为最优相位角θopt的运算)，在此基础上对这些源自上边带波和源自下边带波的成分进行相加运算即可。若具体进行说明，则为：使用电锁相环(phase locked loop：锁相回路)和现有的电信号，对源自上边带波和源自下边带波的成分的相位角进行加法，以使得保持θopt＝(θU+θL)/2。当对源自上边带波的信号的相位角θU和源自下边带波的信号的相位角θL，赋予θopt＝(θu+θL)/2时，非线性效应被补偿。另外，例如，源自LSB的成分(或者源自USB的成分)也可以通过光检测器取得相位共轭，成为恢复原始信号的状态。
图12表示Δf＞fm的情况下的无线接收器的结构例。在该情况下，优选在相加之前，对源自上边带波或者源自下边带波的成分的其中一方实施相位共轭操作。通过混频器与频率为fm的本振正弦波相乘，实现该相位共轭操作。对于频率fm，为了保持θopt＝(θu+θL)/2的关系，可以使用电锁相环等，进行光频、相位控制。若具体地进行说明，则为：使用电锁相环和现有的电信号，对源自上边带波和源自下边带波的成分的相位角进行加法，以保持θopt＝(θU+θL)/2。当对源自上边带波的信号的相位角θU和源自下边带波的信号的相位角θL，赋予θopt＝(θu+θL)/2时，非线性效应被补偿。
在零差C-RoF和外差C-RoF的任一情况下，当上述最优相位角分别保持θopt＝(θu+θL)/2时，不会受到光纤中的波长色散中的衰落效应(fading effect)的影响。
现有技术的RoF系统的情况下，已知在使两边带波成分与光载波一起在光纤中传输的情况下，存在所获得的无线电信号根据光纤长度而发生变动的衰落效应。为了避免该情况，在现有技术的RoF系统中，只将光载波和单方的边带波成分这二个成分导入光纤。
C-RoF的基本结构
图13是表示光学相位共轭对光载无线电(C-RoF)系统的原理的图。该系统为了在光纤链路上传播成为无线(RF)信号的光，而使用两边带(DSB)调制光。两边带调制光能够通过对连续(CW)光施加调制而容易地生成。
马赫-曾德尔调制器(MZM)进行的强度调制是用于获得这样的两边带波调制光的典型方法，其中，马赫-曾德尔调制器(MZM)以相当于无线电信号的副载波的频率来进行推挽(push-pull)驱动。所生成的上边带波和下边带波同时在光纤中传播，由高速PD(光检测器)检测。通过该光检测，光载无线电(Radio-on-Fiber：RoF)信号被下变频，成为无线电信号的频率，恢复原无线波长信号。
乍一看，用于获得该两边带调制的系统在初期阶段的RoF系统中看上去比较典型。当时，与两边带波和载波(DSB-C)系统易于受到劣化相对，单边带波和载波(SSB-C)系统不容易受到劣化，因此，为了构筑RoF系统而采用了SSB-C系统。
本实施方式使用在RoF系统中没有使用的两边带波和载波(DSB-C)系统。本实施方式尤其关注DSB所包含的上边带波(USB)成分和下边带波(LSB)成分的光学相位共轭关系。图14是表示各成分与非线性失真等非线性效应的关系的概念图。C-RoF系统中，USB和LSB由于光纤而受到相同量的非线性失真和波长色散的影响。尤其是在以高输出来驱动C-RoF系统的情况下，自相位调制(self-phase modulation：SPM)和交叉相位调制(cross phasemodulation：XPM)是光纤中的最大非线性效应。USB成分和LSB成分受到图14所示的、由于SPM和XPM而造成的相位偏移。该相位偏移在图14中表现为向量。USB和LSB在相同的方向，受到相同量的相位偏移。该实施方式的C-RoF系统通过抵消非线性效应的影响来消除该非线性失真，而无需另行准备色散补偿器和非线性补偿器。
由光纤引起的非线性失真的消除
接着，对如何消除由光纤引起的非线性失真进行说明。基本上，本实施方式中，取两边带波成分的一方的相位共轭，使一方的相位共轭对成分重叠于另一方相位共轭对成分。如图14所示，一方的相位共轭对成分在与另一方相位共轭对成分相反的方向上受到非线性失真的影响。通过使这两个成分重叠来消除非线性失真的影响。C-RoF系统仅仅通过对光混频施加简单的处理，或者对无线电信号的解调施加简单的处理，就能够达成上述处理。下面的说明中，为了简单，将LSB视为被取相位共轭的成分，对其施加具有频率(即波长)处于USB与LSB之间的信号的本地(local)连续光。
本发明的实施方式大致分为两种方式。一种是命名为零差C-RoF的方式。该方式中，本地连续光具有与C-RoF的载波相同的频率。另一种方式是命名为外差C-RoF的方式。该方式中，作为本地连续光，使用频率与C-RoF的载波不同的连续光。
零差C-RoF
图15是表示零差C-RoF系统的概念图。在零差C-RoF系统中，USB和LSB同时向同一无线频域下变频。此时，由于LSB成分是具有低于本振光的频率的成分，因此，再次取LSB成分的相位共轭，恢复原信号。处于相位共轭状态的USB和LSB在光检测器中的用于获得无线电信号频率的光混频过程(光混频)中重叠。此时，重要的是USB成分和处于相位共轭状态的LSB成分在被控制的状态下重叠。即，将本地连续光的相位锁定在C-RoF的载波的相位，调整为最优状况。将本地连续光的相位锁定在C-RoF的载波的相位是指，在本地连续光的相位成为与C-RoF的载波的相位相同的相位的状态下，将本地连续光与含有C-RoF的载波的光信号进行合波。
该过程例如能够通过测定C-RoF的载波的相位，控制对本振光进行合波的时间来达成，还能够通过在计算C-RoF的载波被输出的时间、和C-RoF的载波到达合波部的时间的基础上，调整本振光到达合波部的时间来达成。
因此，在某一实施方式中，优选采用具有载波的DSB(DSB-C)调制。另一方式使用光学锁相环，即使用二个光学锁相环。在这些方式中，能够如上述那样消除非线性失真。
外差C-RoF
图16是表示外差C-RoF系统的概念图。该例子所示的外差C-RoF系统中，USB成分和LSB成分均向不同的频率成分进行下变频。该外差C-RoF系统虽然也与零差C-RoF系统同样，一方的边带波(在此，LSB)成分成为共轭状态，但与零差C-RoF系统不同，在光检测器的输出中两边带波不重叠。在外差C-RoF中，被下变频的两个成分被分别作为无线电信号而发射，且均由无线电信号接收机的检测器检测。该接收器使相位共轭的源自LSB的成分重叠于源自USB的成分。该处理能够通过接收器内的数字处理器(运算装置)和数据恢复功能(数据复原部)容易地实现，其结果，能够容易地消除非线性效应。由于接收器内的锁相环(PLL)能够追踪本地连续光的相移，因此，外差C-RoF不需要将本地连续光锁定在C-RoF信号的载波。该系统能够在远离中心站的本地生成本地连续光，也能够在中心站产生成作为本地连续光的光信号。
如上所述，C-RoF系统存在2个主要方式，分别为零差C-RoF系统和外差C-RoF系统。这些系统虽然需要本地连续光，但也能够直接利用使用典型的DSB-C的C-RoF传输系统、和使用DSB-SC的C-RoF传输系统的结构。外差C-RoF系统虽然需要占有2倍的带宽，但不需要将本地连续光的相位锁定在RoF的载波的相位。
图13是表示偏压偏移型电光效应型相位共轭信号对生成器的概念图。该相位共轭信号对生成器由二个正交调制器构成。这两个正交调制器均通过同一Inphase(I)信号、Quadrature(Q)信号来驱动。但是，一方的正交调制器的主偏压(主马赫-曾德尔调制器的偏压)设定为π/2，另一方的正交调制器的主偏压设定为-π/2。
图13中，为了便于说明，在上方的正交调制器，将I、Q成分侧的偏压分别记作[π/4,π/4]，在下方的正交调制器，分别记作[-π/4,π/4]。从各调制器输出的调制信号的符号配置在图13的右侧示出。该例表示QPSK调制的情况下的符号配置。附图中的不同标记表示不同的符号，可知各正交调制器输出信号的符号配置相对于附图中的虚线对称。即，可知从这一对正交调制器输出的调制光处于彼此为相位共轭的关系。
通过该方法，能够将同一I、Q信号源作为驱动信号，不通过电域的信号处理而生成相位共轭信号对。该电光效应型相位共轭信号对生成器还能够适用于波分复用方式、偏振复用方式、任意相位共轭对传输。波分复用方式的情况下，使针对各个正交调制器的输入光为不同波长，光信号对以不同的波长进行传输。另一方面，在偏振复用的情况下，光信号对作为正交的偏振成分来传输，该情况下，将同一波长的光输入各正交调制器，对输出进行偏振合成即可。
【实施例1】
下面，对上述系统进行数值分析。下面的数值分析中，使用零差C-RoF系统来进行分析。假定具有QPSK或QAM等无线电信号的副载波的多电平信号通过标准的单模光纤向远处传送。图17是实施例的数值分析中的系统的概略图。
在C-RoF系统的发射器侧，即在中心站侧，连续光在被设定为零偏压的、推挽式马赫-曾德尔调制器(MZM)中进行强度调制。MZM使用RF信号如下面那样来进行调制。频率为10GHz的RF副载波信号由IQ调制部进行数据调制，生成QPSK信号。该数据的符号速率为5GBaud。能够使用该装置生成DSB-SC信号即C-RoF信号。所生成的RoF信号的OSNR(0.1nm的情况下)为27dB。
该RoF信号在具有以下的参数特性的标准单模光纤中传输。光纤长(L)＝10km，传输损耗(α)＝0.2分贝/km，非线性系数(γ)＝2.6W-1km-1。群速色散(β2＝-16ps2/km，向光纤的输入强度(launched power)为10毫瓦特。
在C-RoF系统的接收器侧即远程站，接收到的RoF信号和本地连续光(本振光)被结合起来，并被导入光检测器。本振光的波长被设定为使其与RoF信号的载波的频率相同。光检测器是与10GHz无线频域对应的十分高速的光检测器。从光检测器输出的RF信号被RF下变频器进行下变频，且经过载波发送恢复工序和锁相工序，I成分和Q成分被恢复。通常，来自光检测器的无线电成分通过天线作为无线电信号而发射。
图18是接收信号的星座图。图18(a)为通过基于现有技术的SSB-C技术的RoF系统而获得的QPSK信号的星座图。由图18(a)所示可知，符号失真。在该例子中，这是由于SPM引起的非线性失真而造成的。图18(b)是通过C-RoF系统获得的QPSK信号的星座图。由图18(b)可知，所获得的星座图没有受到非线性失真的影响。即，表示：通过C-RoF系统，光纤的非线性效应产生的影响被消除。
【实施例2】
图19是用于偏压偏移型电光效应型相位共轭信号对生成器的原理验证的实验结构图。在此，通过20-Gb/sQPSK的SMF传输，来表示自相位调制效应的补偿结果。相位共轭信号对的传输通过偏振复用的结构来进行。在发射机侧，由光耦合器对从线宽为10kHz的光纤激光输出的波长为1552nm的连续光进行分支，分别向2个独立的正交调制器输送。正交调制器根据同一I、Q数据，在同一时间被驱动。驱动信号是由脉冲波形(pulse pattern)生成器生成的NRZ信号，是波形长度为215-1PRBS的形式。各正交调制器的副马赫-曾德尔调制器均为null点偏压。主偏压分别为π/2、-π/2。通过该结构，由各个正交调制器获得20-Gb/sQPSK信号和其相位共轭信号。所获得的相位共轭信号对通过偏振分束器以两信号间不具有延迟的方式被偏振复用。被偏振复用的相位共轭信号对通过光纤放大器，放大到17.6dBm之后，输入全长为20km的单模光纤(SMF)。另一方面，在接收机侧，通过偏振分集型数字相干检测器来接收所接收到的相位共轭信号对。首先，通过在输出端口具有平衡检波器的90度混合耦合器，进行与本振光的零差混频，检测各偏振成分的、(相对于本振光的)同相正交成分、相位成分。通过50GSa/s的采样速率对这些检测信号进行高速数字化之后，实施具有偏振分离、载波相位推定功能的数字信号处理。被恢复相位的QPSK信号对中，相对于一方的信号(相位共轭信号侧)，重新取相位共轭之后，与另一方的信号相加。这些数字信号处理全部为离线处理。
图20是表示实施例2中的实验结果的图。图20(a)(b)是接收到的星座图，分别相当于没有(通过相位共轭信号对的方法)对光纤中的非线性效应进行补偿的情况、和对光纤中的非线性效应进行补偿的情况。如图20(a)所示，非补偿的情况下，可以看到非线性相位偏移。认为这是由于自相位调制效应、和来自正交偏振成分的交叉相位调制效应而造成。另一方面，如图20(b)所示可知，通过在接收机侧进行利用相位共轭信号对的非线性补偿，这些非线性效应被抵消，从而获得清晰的星座图。根据该实验结果，确认确实由所提出的电光效应型相位共轭信号对生成器，生成了相位共轭信号对。
【产业上的可利用性】
本发明可适用于使用光的信息通信产业中。
附图标记说明
11…光调制器；13…信号源；15…光纤；17…合波部；19…合波用本地信号源；21…光检测器；23…发射天线；25…发射装置；31…光调制器；33…信号源；35…光纤；37…合波部；39…合波用本地信号源；41…光检测器；43…发射天线；45…发射装置；51…接收天线；53…信号处理装置；55…接收装置。

Claims (4)

1.一种对非线性光学效应进行补偿的方法，其中非线性光学效应在光信号在光纤中传播时产生，其特征在于，包含以下工序：
获得包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对；
将所述上边带波和所述下边带波同时输入所述光纤；
在所述上边带波和所述下边带波不具有相位差的状态下，将具有与所述光载波相同的频率的光信号与所述上边带波和所述下边带波进行合波；
光检测器检测经所述合波得到的光信号；
将基于所述光检测器检测到的光信号的电信号向发射天线传输；和
所述发射天线发射基于所述电信号的无线电信号。
2.一种无线电信号发射装置(25)，其对光信号在光纤中传播时产生的非线性光学效应进行补偿，其特征在于，包括：
光调制器(11)，其被输入载波；
信号源(13)，其输出用于施加给所述光调制器(11)的调制信号和偏压信号；
光纤(15)，其被同时输入从所述光调制器(11)输出的光信号即包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对；
合波部(17)，其与所述光纤(15)相连接；
合波用本地信号源(19)，其用于在所述上边带波和所述下边带波不具有相位差的状态下，通过所述合波部(17)将具有与所述光载波相同的频率的光信号与所述上边带波和所述下边带波进行合波；
光检测器(21)，其用于检测经所述合波得到的光信号；
发射天线(23)，其用于接收基于所述光检测器检测到的光信号的电信号。
3.一种对非线性光学效应进行补偿的方法，其中非线性光学效应在光信号在光纤中传播时产生，其特征在于，包含以下工序：
获得包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对；
将所述上边带波和所述下边带波同时输入所述光纤；
将光信号与所述上边带波和所述下边带波进行合波；
光检测器检测经所述合波得到的光信号；
将基于所述光检测器检测到的光信号的电信号向发射天线传输；
所述发射天线发射基于所述电信号的无线电信号；
接收天线接收从所述发射天线发射的无线电信号；和
接收基于所述接收天线所接收到的无线电信号的电信号，且对所接收到的源自所述上边带波的信号和源自所述下边带波的信号进行调整以使二者不具有相位差，在此基础上对该二者进行合波。
4.一种无线电通信系统，其特征在于，
包含无线电信号发射装置(45)和无线电信号接收装置(55)，其中，
所述无线电信号发射装置包括：
光调制器(31)，其被输入载波；
信号源(33)，其输出用于施加给所述光调制器(31)的调制信号和偏压信号；
光纤(35)，其被同时输入从所述光调制器(31)输出的光信号即包含上边带波和下边带波的相位共轭信号对；
合波部(37)，其与所述光纤(35)连接；
合波用本地信号源(39)，其用于通过所述合波部(37)来将光信号与所述上边带波和所述下边带波进行合波；
光检测器(41)，其用于检测经所述合波得到的光信号；和
发射天线(43)，其用于接收基于所述光检测器检测到的光信号的电信号，
所述无线电信号接收装置(55)包括：
接收天线(51)，其用于接收从所述发射天线(43)发射的无线电信号；和
信号处理装置(53)，其用于接收基于所述接收天线接收到的无线电信号的电信号，且对所接收到的源自所述上边带波的信号和源自所述下边带波的信号进行调整以使二者不具有相位差，在此基础上对该二者进行合波。
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